JP2006125887A - 加速度センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】熱膨張係数差に起因する応力の問題を解消し,ノイズを軽減した加速度センサを提供する。
【解決手段】三次元座標系における三軸方向の加速度を検出する加速度センサであって,半導体基板で一体に形成された、四辺を有する支持枠と,前記支持枠内に位置する錘部と,片端が前記錘部を支持するように前記錘部に接続され,他端が前記四辺の対応する辺の中央部に接続された,前記四辺のそれぞれに対応する4本の可撓部を有し,前記四本の可撓部のそれぞれに,前記錘部に加わる加速度に応じた前記可撓部の撓みを検出する検出素子が形成され,前記支持枠の四辺のそれぞれに,ギャップを有して形成される一対の接合部が形成され,一の辺に形成される前記一対の接合部間のギャップは,前記一の辺の中央部を対称に所定の長さを有する。
【選択図】図1A

Description

本発明は,加速度センサに関する。特に温度特性向上を実現した,3軸のそれぞれの加速度を検出可能な加速度センサに関する。
自動車、船舶等の移動体、ロボット、機械製造装置あるいは、使用者により把持されて使用される移動機器、例えばノートPC、携帯電話、PDA(Personal Digital Assistant),DVC(Digital Video Camera),DSC(Digital Still Camera)等において、種々の制御のために、その制御の目的に対応して対象物全体又はその一部に与えられる応力を検出することが重要である。この応力を対象物全体又はその一部に作用する加速度に基づくものとして検知することにより、当該加速度を検知することができる。
かかる応力あるいは加速度の検出装置として、従来種々開発され、その一つとして、半導体基板上にゲージ抵抗を形成し、ピエゾ抵抗効果により、外部から与えられる錘部に加わる力に基づいて生じる機械的な歪を電気信号に変換する装置が知られている(非特許文献1)。
さらに、前記ゲージ抵抗におけるピエゾ抵抗効果の利用に代えて、歪に対応する静電容量の変化を利用することも可能であることが上記非特許文献1に解説されている。
特に、かかる非特許文献1において説明される発明の特徴は、半導体基板上に形成した複数軸方向の力センサにより、一つの装置で、複数種類のセンサ即ち、3軸力センサ、3軸加速度センサ、3軸角速度センサ、6軸モーションセンサの4種のセンサを構成することを可能とするものである。
かかる非特許文献1に記載の原理を用いた半導体加速度センサに関し,種々の課題に対し,それぞれ提案がなされている。種々の課題の一つとして,加速度センサの適用される環境(どのような機器に使用されるか)によって,予想外の大きな衝撃が加わることがあり得る。かかる場合,錘部が大きく変位し,これに伴いゲージ抵抗を破壊するおそれがある。
かかる不都合を解消するために,錘部の変位を制限するストッパーを設ける構成が提案されている(特許文献1)。
一方,加速度センサを構成する部位間の熱膨張係数差,たとえば,半導体基板と前記ストッパーとの熱膨張係数差,あるいは,半導体基板と検出素子の出力を外部に出力するために設けられる電極パットとの熱膨張係数差に起因する応力による検出誤差の問題がある。
そして,かかる熱膨張係数差に起因する問題を解決する一構成が提案されている(特許文献2)。かかる特許文献2に記載される発明は,矩形の支持枠の四隅から伸びる支持部の先端でストッパーを形成する構成である。これにより支持枠(フレーム)とストッパーとの接合面積を小さくして半導体基板と前記ストッパーとの熱膨張係数差に起因する問題を解消しようとするものである。
"3軸センサの開発" 雑誌「発明」52頁〜63頁、2003. 9 発明協会発行 特開2000−187041号公報 特開2000−304762号公報
上記特許文献2に記載の発明では,ストッパーが四隅から伸びている為、支持枠(フレーム)上の電気的接続に使用するパッドが梁(可撓部)付近に集中する。これによりフレームとパッドの熱膨張係数差に起因する熱応力が可撓部に発生し易い構成である。
したがって,本発明の目的は,熱膨張係数差に起因する応力の問題に関し,かかる従来の発明における不都合を解消する加速度センサを提供することにある。
上記の発明の目的を達成する本発明に従う加速度センサの第1の態様は,三次元座標系における三軸方向の加速度を検出する加速度センサであって,半導体基板で一体に形成された、四辺を有する支持枠と,前記支持枠内に位置する錘部と,片端が前記錘部を支持するように前記錘部に接続され,他端が前記四辺の対応する辺の中央部に接続された,前記四辺のそれぞれに対応する4本の可撓部を有し,前記四本の可撓部のそれぞれに,前記錘部に加わる加速度に応じた前記可撓部の撓みを検出する検出素子が形成され,前記支持枠の四辺のそれぞれに,ギャップを有して形成される一対の接合部が形成され,一の辺に形成される前記一対の接合部間のギャップは,前記一の辺の中央部を対称に所定の長さを有することを特徴とする。
上記の発明の目的を達成する本発明に従う加速度センサの第2の態様は,第1の態様において,前記一対の接合部のそれぞれは,前記検出素子につながる所定の電極リードに接続された複数の電極端子を有し,前記複数の電極端子は,対応する前記辺に沿って等間隔に配置されていることを特徴とする。
さらに,上記の発明の目的を達成する本発明に従う加速度センサの第3の態様は,第1又は第2の態様において,前記一対の接合部間のギャップの大きさにより,前記検出素子により検出されるオフセット電圧が調整されていることを特徴とする。
上記の発明の目的を達成する本発明に従う加速度センサの第4の態様は,第1の態様において,前記支持枠は,所定の厚みを有し,前記一対の接合部が形成される面と反対側面に,前記所定の厚みより薄い領域を前記支持枠の辺に沿って所定長さ分均一に形成する凹部を前記四辺のそれぞれに有し,前記反対側面に対向して台座に接合され,前記凹部が,前記基板と前記支持枠との間に有するスペース溝を形成することを特徴とする。
また,上記の発明の目的を達成する本発明に従う加速度センサの第5の態様は,第1の態様において,前記支持枠は,所定の厚みを有し,少なくとも前記一対の接合部が形成される領域を前記支持枠の辺に沿って前記所定の厚みより薄い所定長さ分均一に形成された凹部により形成し,前記一対の接合部に対向してストッパ基板に接合され,前記凹部が,前記ストッパ基板と前記支持枠との間に有するスペース溝を形成することを特徴とする。
上記の発明の目的を達成する本発明に従う加速度センサの第6の態様は,第4の態様において,前記支持枠に接合される台座は,回路基板,パッケージ底部,或いは,パッケージカバーであることを特徴とする。
さらに,上記の発明の目的を達成する本発明に従う加速度センサの第7の態様は,第4又は5の態様において,前記凹部の所定長さにより,前記検出素子により検出されるオフセット電圧が調整されていることを特徴とする。
さらにまた,上記の発明の目的を達成する本発明に従う加速度センサの第8の態様は,第4又は5の態様において,前記支持枠の凹部の中央部で,更に前記可撓部の方向と一致する方向に,前記支持枠の裏面側に溝部が形成されていることを特徴とする。
また,上記の発明の目的を達成する本発明に従う加速度センサの第9の態様は,第4又は5の態様において,前記支持枠の表面側で,前記支持枠の4隅角に対応する位置に溝部が形成されていることを特徴とする。
本発明の特徴は,以下に図面に従い説明される発明の実施の形態より更に明らかになる。
本発明により、簡易な構成で熱膨張係数差に起因する応力の問題を解消し,温度特性を向上する加速度センサが提供可能である。
以下図面に従い、本発明の実施の形態例を説明する。なお、実施の形態例は本発明の理解のためのものであり、本発明の技術的範囲はこれに制限されるものではない。
[第1の実施の形態]
本発明の第1実施の形態を図1A〜図1Cに示す。図1Aは本発明に従う加速度センサの上面図(図1A,I)とa-b線での横断面図(図1A,II)を示している。加速度センサは,周囲を囲う四辺を有する支持枠1とその支持枠1内に位置する錘部2と支持枠1と錘部2との間に形成された可撓部3とがセンサ基体10として半導体基板で一体形成されている。さらに,センサ基体10の裏面側は,ガラス,アルミナセラミック等のパッケージ材である台座4に載置固定されている。
かかる構成において,錘部2に上下或いは横方向に応力が加わると,可撓部3が応力に対応した撓みを生じる。この撓みを可撓部3に形成した検出素子5により歪みとして検出し,応力を生じている加速度として求めることができる。
図1Bは,センサ基体10と台座4との接合を説明する図である。センサ基体10と台座4は,台座4の周辺に形成された接合部6で陽極接合又は樹脂等により接合されている。
一方,センサ基体10の表面側は,検出素子5から導かれる図示しないリードに接続された電極を外部に引出すためにAl等の導電性材料のパッド(接合部)7を介して同様にガラス,アルミナセラミック等のストッパ基板8で覆われる。ストッパ基板8は,基体10に対応した大きさの平板であっても,図1Bに示される様に梁状に形成され,基体10の対角で両端が固定されるものであってもよい。
ここで,上記構成では,上記センサ基体10を載置固定する台座4はストッパ基板8と伴に,錘部2の上下方向の動きを制限する機能も有する。
しかし,接合部6,7と半導体基板であるセンサ基体10との熱膨張係数の相違が問題となる。すなわち,かかる熱膨張係数の相違により熱応力が発生する。これに伴い,加速度が加わらない0Gの状態でも可撓部3に歪みを与え,検出素子5から信号(以下,オフセットドリフトと呼ぶ)が発生する。そして,先に従来例として説明した特許文献2において,かかるオフセットドリフトを解決する一方法が提案されているが,支持枠1と接合部7の熱膨張係数差に起因する熱応力が可撓部3に発生し易い構成である。
したがって,本発明は,かかる不都合を解決するものである。
第1の実施の形態例においては,本発明の特徴として支持枠1の四辺のそれぞれに,ギャップを有して形成される一対の接合部7a,7bを有する様に構成されている。
図1Cは,第1の実施の形態の温度特性図であり,接合間ギャップ9をギャップがない状態即ち,ギャップ0から広げ,それぞれのギャップにおいて−45℃〜+85℃まで温度を変化させたときの最大オフセット電圧を,25℃の時のオフセット電圧で規格化した値をプロットしたグラフである。
図1Cに示すように,接合部間ギャップ9が大きくなるほど規格化オフセット電圧は,小さくなることが理解できる。
このように,本発明の第1の実施の形態は,支持枠1の平面内(X−Y平面)に接合部7を形成し、可撓部3の長手方向線対称中心に直交する方向に接合部間ギャップ9を形成している。これにより,接合部7と半導体基板の線膨張係数差により発生する熱応力を抑制することが可能であり,温度オフセットドリフトを抑制することが出来る。
また,付加的効果として,図1Bに示される台座4とセンサ基体10との接合部6により,支持枠1全面を台座4に固定することが可能である。これにより,第1の実施の形態は,耐衝撃性にも優れている。
[第2の実施の形態]
図2A,図2B及び図2Cは,本発明の第2の実施の形態を示す図であり,それぞれ,図1A,図1B図及び図1Cに対応する図である。
したがって,図2A,図2Bにおいて,図1A,図1Bと同じ参照番号は同じ部位を示している。ただし,この第2の実施の形態は,第1の実施の形態例の接合部7と異なり,複数の個別接合部7aの形態を有している。
図3は,図2Aの平面図(I)を拡大して示す図である。なお,図3においては,図2Bと異なりストッパ基板8をX状にして,4端子を基体10の4隅で固定する様にした例を示している。
図3において,X軸方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Y軸方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗Ry1〜Ry4,及びZ軸方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗Rz1〜Rz4が可撓部3に形成されている。
そして,これらピエゾ抵抗の両端子は,リードを介して対応する電極パッドである個別接合部7aに接続されている。なお,図3には,ピエゾ抵抗に接続されていない個別接合部7aもあるが,これは各辺で応力バランスを保つためのダミーのパッドである。
個別接合部7aから導かれて図示しない外部回路において,ホイートストンブリッジに組まれ,可撓部3の歪み量が加速度として検知される。かかる検出のための回路構成は本発明と直接の関係を有しないので更なる説明は省略する。
図2Cに戻り説明する。図2Cは,図1Cと同様に,それぞれの接合間ギャップ9において−45℃〜+85℃まで温度を変化させたときの最大オフセット電圧を,25℃の時のオフセット電圧で規格化した値をプロットしたグラフである。
図2Cにおいて,グラフAは第1の実施の形態の特性であり図1Cと同じである。これに対しグラフBは,第2の実施の形態の特性を示している。図2Cに示すグラフから第2の実施の形態の方が,接合間ギャップ9を大きくしたときの規格化オフセット電圧の変化が大きいことが理解できる。すなわち,第2の実施の形態は,同一接合間ギャップ9でも第1の実施の形態に比べ,より温度ドリフトを抑制出来ることが理解できる。
したがって,温度ドリフトを0とする条件では,第2の実施の形態は,第1の実施の形態に比べ,より接合間ギャップ9を小さくすることができる(図2C,両矢印区間C参照)。
図4A,図4Bは,かかる第1の実施の形態と比較した時の接合間ギャップ9を小さくすることができることにより,接合長Lを大きくできる理由を更に説明する図である。
図4Aは,第1の実施の形態における接合間ギャップ9について同じ大きさ,従って第1の実施の形態と同じ接合長Lを持つように個別接合部7aの間隔を定めた例である。かかる場合であっても,図2Cに示すように,第2の実施の形態では,第1の実施の形態の場合より,より小さい規格化オフセット電圧を示す。
図4Bは,第2の実施の形態において,温度ドリフトを0とする条件で,第1の実施の形態における接合間ギャップ9より小さなギャップを有するように個別接合部7aの間隔を定めた例である。接合間ギャップ9が図4Aに比べ,小さくなっているので,接合長Lを大きくすることができる。
[第3の実施の形態]
図5A〜図5Cは,本発明に従う第3の実施の形態を示す図である。先の第1,第2の実施の形態と同じ参照番号は同じ部位を示している。
この第3の実施の形態は,先の第1又は第2の実施の形態の特徴を備え,更に別の特徴として台座4とセンサ基体10との間にスペース溝11を有している。ここで,台座4は,先の第1,第2の実施の形態とともにパッケージ,回路基板等の導電性接合部を有する基板を含むものである。
台座4へのセンサ基体10の接合は,四辺の隅に形成される柱部12を陽極接合又は樹脂等により接合することによって行われる。かかる柱12の存在により台座4とセンサ基体10との間に有するスペース溝11の幅は,両隅の2つの柱12の間の長さである。
ここで,図5Bに示す様に,2つの柱12の間の長さ即ち,スペース溝11の幅をW1とし,センサ基体10の一辺の長さをWとする。図5Cは,W1/Wの比率に対するオフセット電圧の変化を示すグラフである。各W1/Wの比率において,−45℃〜+85℃まで温度を変化させたときの最大オフセット変化(電圧)をプロットしたグラフである。
図5Cから理解される様に,第三の実施の形態において,W1/Wの比率を調整することにより,先の実施の形態例で述べたように,線膨張係数差に起因して発生する熱応力を調整し、オフセットドリフトを抑制することが出来る。
[第4の実施の形態]
図6Aは,本発明に従う第4の実施の形態である。この実施の形態は,第3の実施の形態において,更にスペース溝11の高さt1とセンサ基体10の高さTと比率t1/Tを変えることによりオフセット変化を0として,熱膨張件数差に起因する問題を解消したものである。
すなわち,図6Bは,スペース溝11の長さW1を,ほぼ可撓部3の長さに等しく設定し,比率t1/Tを変え,−45℃〜+85℃まで温度を変化させたときの最大オフセット変化(電圧)をプロットしたグラフである。図6Bからスペース溝11の高さt1を一定以上設けることにより,温度変化に対しては,影響が無いことが理解できる。
[第5の実施の形態]
図7A,図7Bは,図5Aの第3の実施の形態の拡張例である。図5Aの実施の形態において形成したスペース溝11に対応するスペース溝11aをセンサ基体10の表面側に形成しストッパ基板8との間に空間を設けた例が,図7Aに示される。また,図7Bに示す例では,スペース溝11とスペース溝11aの両方を備えた実施の形態である。
センサ基体10の支持枠1の表面側及び裏面側にカバーもしくは回路基板,パッケージ,導電性接合部を有する基板を電気的もしくは機械的に接合した際の線膨張係数差により発生する熱応力が検出素子へ影響し、オフセットドリフトが発生するが、かかる図7A,図7Bに示す構成によっても支持枠にスペース溝11,11aを形成することにより、接合部7,7aの熱応力を低減することにより、可撓部3,従って検出素子5への熱応力の影響を抑制し温度オフセットドリフトを抑制することが出来る。
[第6の実施の形態]
図8は,更に別の本発明に従う第6の実施の形態例である。図8に示す実施の形態においては,図5A乃至図7Bに示したセンサ基体10と台座4との間に設けた支持枠1の凹部であるスペース溝11の中央部に,更に可撓部3の方向と一致する方向に,支持枠1の裏面側に第二の溝部11bが形成されてある。
かかる構成により,第一のスペース溝11で前述した熱応力を抑制し、溝幅の狭 い第二のスペース溝11bで支持枠1全体の強度を維持しながら更に検出素子4への熱応力の影響を抑制することが出来るなお,支持枠1の裏面のみならず表面に,スペース溝12に垂直方向に第三の溝を形成しても同様である。ここで,スペース溝12の幅は可撓部3の幅とほぼ同じである。
[第7の実施の形態]
図9は,更に本発明に従う第7の実施の形態例である。図9に示す実施の形態例では,図5A乃至図7Bに示したセンサ基体10の表面側の支持枠1の4隅角に柱部12に対応して溝部11cが設けられている。かかる構成により,熱応力の発生し易い支持枠1の4つの隅角部分の熱応力が低減される。これにより,可撓部3,従って検出素子5への熱応力の影響を抑制し,温度オフセットドリフトを抑制することができる。
図10A乃至図10Dは,本発明に従う加速度センサをパッケージ化した実施例を示す図である。
図10Aは,図2A,図2Bに示した第2の実施の形態のセンサをパッケージ本体110とパッケージ蓋部111で形成されるパッケージ内に収容した例であり,その横断面図を示している。
パッケージ本体110のブロックに接続された導電性ワイヤ101により外部から電力を供給し,或いは,外部に検出信号を取り出す構成である。台座4を回路基板として,検出素子5の検出信号を処理して加速度を求める演算素子を搭載することも可能である。
さらに,台座4とパッケージ110の底面は,導電性樹脂102により電気的に接続され,接地電位に固定することにより回路動作の安定と外部ノイズの影響を回避することができる。
図10Bは,図5Aの実施の形態のセンサをパッケージ110に収容した例であり,センサ基体10と台座14との間にスペース溝11を有している。他の構成は,図10Aに説明した通りである。
図10C,図10Dは,図10A,図10Bに対応するが,センサのストッパ基板8を省略した例である。
また,図10A,図10Dにおいて,センサ基体10と台座4の間にスペース溝11を有するものであるが,図7A,図7B,図8の他の実施の形態であってもよいことはいうまでもない。
上記に実施の形態を説明したように,本発明により熱膨張係数差に起因する応力の問題を解消し,ノイズを軽減した加速度センサを提供することが可能である。したがって,加速度に関連して制御を行う機器に,本発明に従う加速度センサが組み込まれた時に,信頼性の高い加速度制御を可能とし,よって産業上寄与するとところ大である。
本発明に従う加速度センサの第1の実施の形態の上面図と横断面図を示す図である。 第1の実施の形態のセンサ基体と台座との接合を説明する図である。 第1の実施の形態の温度特性図である。 本発明に従う加速度センサの第2の実施の形態の上面図と横断面図を示す図である。 第2の実施の形態のセンサ基体と台座との接合を説明する図である。 第2の実施の形態の温度特性図である。 図2Aの平面図(I)を拡大して示す図である。 第1の実施の形態における接合間ギャップ9について同じ大きさを持つように個別接合部7aの間隔を定めた例である。 第2の実施の形態で温度ドリフトを0とする条件で個別接合部7aの間隔を定めた例である。 第3の実施の形態の斜目から観察した図である。 第3の実施の形態におけるスペース溝の長さを説明する図である。 第3の実施の形態の温度特性図である。 第4の実施の形態の斜めから観察した図である。 第4の実施の形態におけるスペース溝の高さを説明する図である。 第4の実施の形態の変形例であって,第5の実施の形態としてスペース溝をセンサ基体の上面側に置いた例を示す図である。 第4の実施の形態の変形例であって,第5の実施の形態としてスペース溝をセンサ基体の上下面側に置いた例を示す図である。 第6の実施の形態で,さらに第2の溝を設けた実施の形態例である。 本発明に従う第7の実施の形態例である。 本発明に従う加速度センサをパッケージ化の第1の実施例を示す図である。 本発明に従う加速度センサをパッケージ化の第2の実施例を示す図である。 本発明に従う加速度センサをパッケージ化の第3の実施例を示す図である。 本発明に従う加速度センサをパッケージ化の第4の実施例を示す図である。
符号の説明
1 支持枠
2 錘部
3 可撓部
4 台座
5 検出素子
6,7,7a 接合部
8 ストッパ基板
9 接合間ギャップ
10 センサ基体

Claims (9)

  1. 三次元座標系における三軸方向の加速度を検出する加速度センサであって,
    半導体基板で一体に形成された、四辺を有する支持枠と,前記支持枠内に位置する錘部と,片端が前記錘部を支持するように前記錘部に接続され,他端が前記四辺の対応する辺の中央部に接続された,前記四辺のそれぞれに対応する4本の可撓部を有し,
    前記四本の可撓部のそれぞれに,前記錘部に加わる加速度に応じた前記可撓部の撓みを検出する検出素子が形成され,
    前記支持枠の四辺のそれぞれに,ギャップを有して形成される一対の接合部が形成され,
    一の辺に形成される前記一対の接合部間のギャップは,前記一の辺の中央部を対称に所定の長さを有する
    ことを特徴とする加速度センサ。
  2. 請求項1において,
    前記一対の接合部のそれぞれは,前記検出素子につながる所定の電極リードに接続された複数の電極端子を有し,前記複数の電極端子は,対応する前記辺に沿って等間隔に配置されていることを特徴とする加速度センサ。
  3. 請求項1又は2において,
    前記一対の接合部間のギャップの大きさにより,前記検出素子により検出されるオフセット電圧が調整されていることを特徴とする加速度センサ。
  4. 請求項1において,
    前記支持枠は,所定の厚みを有し,前記一対の接合部が形成される面と反対側面に,前記所定の厚みより薄い領域を前記支持枠の辺に沿って所定長さ分均一に形成する凹部を前記四辺のそれぞれに有し,
    前記反対側面に対向して台座に接合され,前記凹部が,前記基板と前記支持枠との間に有するスペース溝を形成する
    ことを特徴とする加速度センサ。
  5. 請求項1において,
    前記支持枠は,所定の厚みを有し,少なくとも前記一対の接合部が形成される領域を前記支持枠の辺に沿って前記所定の厚みより薄い所定長さ分均一に形成された凹部により形成し,
    前記一対の接合部に対向してストッパ基板に接合され,前記凹部が,前記ストッパ基板と前記支持枠との間に有するスペース溝を形成する
    ことを特徴とする加速度センサ。
  6. 請求項4において,
    前記支持枠に接合される台座は,回路基板,パッケージ底部,或いは,パッケージカバーであることを特徴とする加速度センサ。
  7. 請求項4又は5において,
    前記凹部の所定長さにより,前記検出素子により検出されるオフセット電圧が調整されていることを特徴とする加速度センサ。
  8. 請求項4又は5において,
    前記支持枠の凹部の中央部で,更に前記可撓部の方向と一致する方向に,前記支持枠の裏面側に溝部が形成されていることを特徴とする加速度センサ。
  9. 請求項4又は5において,
    前記支持枠の表面側で,前記支持枠の4隅角に対応する位置に溝部が形成されていることを特徴とする加速度センサ。
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